Betriebssystem für PC104-Rechner
Die Erzeugung eines Crosscompilers mit Integration einer bestimmten libc ist ein komplexer Vorgang, der einiges an Wissen und Erfahrung erfordert. Ohne die erforderlichen Patches und Konfigurationseinstellungen scheitert in der Regel bereits der Versuch. Glücklicherweise gibt es mit buildroot ein System, das den gesamten Prozeß automatisiert und zusätzlich ein einfaches Root-Dateisystem mit konfigurierbarer Softwareausstattung erzeugen kann. Der Benutzer wählt menügesteuert die gewünschten Eigenschaften aus, buildroot lädt alle nötigen Dateien aus dem Internet, übersetzt sie und erstellt dabei neben dem Crosscompiler ein TAR-Archiv, das sich in dem späteren Root-Dateisystem auspacken läßt.
Vorbereitung der Installation
Der hier beschriebene Buildprozeß geht davon aus, daß alle erforderlichen Quellcodearchive und Konfigurationsdateien im Home-Verzeichnis des Benutzers pc104 liegen. Dort wird später auch der Crosscompiler installiert. Die Quellen befinden sich auf dem pc104-Account, wichtig sind die Verzeichnisse source und config. Zum Übersetzen müssen die üblichen Werkzeuge installiert sein, zusätzlich werden die Pakete etherboot, grub, syslinux und die Entwicklerversionen von ncurses und gettext gebraucht.
Die Installation der Kernel-Module erfordert eine Version des Programmes depmod, die für Kernel der Serie 2.4 geeignet ist und bei neueren Distributionen zum Beispiel depmod.old heißen kann. Das Arbeitsverzeichnis für den gesamten Vorgang sollte auf einer lokalen Festplatte liegen, die mehr als ein Gigabyte freien Speicherplatz bieten muß.
Zu Beginn der Installation werden die wichtigsten Verzeichnisse in Variablen gespeichert.
SOURCE=/home/pc104/source CONFIG=/home/pc104/config TMP=/tmp
Die Variable TOOLCHAIN legt das Zielverzeichnis für den
Crosscompiler fest, ROOTFS verweist in die spätere
buildroot-Installation und gibt den Ort an, wo die Vorlage für das
Root-Dateisystem später liegen
wird.
TOOLCHAIN=/home/pc104/toolchain ROOTFS=$TMP/buildroot/build_i386/root
Es dürfen keine Reste von einer vorher durchgeführten Installationen existieren, insbesondere müssen die Quellcodeverzeichnisse und der Crosscompiler gelöscht sein.
rm -rf $TMP/buildroot rm -rf $TMP/linux-2.4.31 rm -rf $TMP/peak-linux-driver-3.17 rm -rf $TOOLCHAIN
Basissystem und Crosscompiler
Den größten Teil der Arbeit übernimmt jetzt buildroot, zunächst wird das Archiv ausgepackt.
cd $TMP tar xfvj $SOURCE/buildroot/buildroot-snapshot.tar.bz2 cd buildroot
Damit das Ergebnis reproduzierbar bleibt, sollen die Quelldateien nicht neu aus dem Internet heruntergeladen werden. Stattdessen werden Versionen in das buildroot-Verzeichnis kopiert, die sich als funktionierend herausgestellt haben.
cp -av $SOURCE/buildroot/dl .
Das Paket unterstützt das Remote Shell Protokoll nicht, ein Patch ergänzt die Funktionalität.
patch -p0 < $SOURCE/buildroot/buildroot-netkitrsh.patch
Die Konfiguration des Paketes wird aus den Vorgaben übernommen. Die Einstellungen und der Softwareumfang können in den verschiedenen Dateien oder über die Menüs von buildroot eingesehen und verändert werden.
cp $CONFIG/buildroot .config cp $CONFIG/busybox package/busybox/busybox.config cp $CONFIG/uclibc toolchain/uClibc/uClibc.config
Wenn der Crosscompiler in einem anderen Verzeichnis als
/home/pc104/toolchain installiert werden soll, müssen in
.config und toolchain/uClibc/uClibc.config die
Einstellungen von BR2_STAGING_DIR sowie
CROSS_COMPILER_PREFIX entsprechend geändert werden. Damit
ist das Paket bereit zum
Übersetzen.
make oldconfig make
Nach dem erfolgreichen Durchlauf ist der Crosscompiler einsatzbereit und ein erstes lauffähiges Root-Dateisystem erstellt. Es wird in den nächsten Schritten mit den noch fehlenden Tools angereichert und konfiguriert.
Übersetzung des Linux-Kernels
Der Linux-Kernel wird passend für das PC104-System erzeugt und später auf die Flashdisc sowie in ein Image für den Bootserver verpackt. Alle Einstellungen sind auf möglichst geringen Speicherbedarf hin optimiert, die meisten Funktionen deaktiviert und alle wichtigen fest in den Kernel eingebaut. Besonders wichtig sind die Fließkomma-Emulation, die Netzwerkfunktionen und die Möglichkeit zum Mounten des Root-Dateisystems per NFS Version 3.
Zuerst wird der Quellcode ausgepackt.
cd $TMP tar xfvj $SOURCE/linux/linux-2.4.31.tar.bz2 cd linux-2.4.31
Eine problematische Header-Datei muß vor dem Compilieren noch korrigiert werden.
patch -p0 < $SOURCE/linux/linux-2.4.31-asmerror.patch
Dann wird die gespeicherten Konfiguration übernommen und der Kernel übersetzt.
make mrproper cp $CONFIG/linux .config make oldconfig make dep make bzImage make modules
Der Kernel und die erzeugten Module werden in das Root-Image von buildroot installiert.
cp -a arch/i386/boot/bzImage $ROOTFS cp -a System.map $ROOTFS INSTALL_MOD_PATH=$ROOTFS make modules_install rm -f $ROOTFS/lib/modules/2.4.31/build
An dieser Stelle kann eine Warnung ausgegeben werden, falls das Paket
modutils nicht installiert ist. Sie darf ignoriert werden, das spätere
System sollte auch ohne den Aufruf von depmod -a problemlos
benutzbar sein.
CAN-Treiber, Library und Testprogramme
Das Treiberpaket von Peak System enthält neben dem Kernelmodul die Bibliotheken sowie verschiedene Testprogramme. Zunächst wird wieder der Quellcode ausgepackt.
cd $TMP tar xfvz $SOURCE/pcan/peak-linux-driver.3.17.tar.gz cd peak-linux-driver-3.17
Ein einfacher Befehl compiliert das Modul gegen die zuvor benutzten Kernelquellen.
make -C driver -f Makefile-2.4 CC=$TOOLCHAIN/bin/i386-linux-uclibc-gcc \
KERNEL_LOCATION=$TMP/linux-2.4.31 \
USB=NO_USB_SUPPORT PAR=NO_PARPORT_SUBSYSTEM
Die im Paket enthaltene Library wird zur Entwicklung eigener Programme benötigt.
make -C lib CC=$TOOLCHAIN/bin/i386-linux-uclibc-gcc
Das Modul findet seinen Platz in dem Root-Image von buildroot.
install -D -m644 driver/pcan.o $ROOTFS/lib/modules/2.4.31/misc/pcan.o
Die CAN-Library wird im Dateisystem der PC104-Rechner installiert.
install -m644 lib/libpcan.so.0.3 $ROOTFS/lib ln -sf libpcan.so.0.3 $ROOTFS/lib/libpcan.so
Um Programme mit CAN-Unterstützung erzeugen zu können, werden Header und Library in den Crosscompiler integriert.
install -m644 driver/pcan.h $TOOLCHAIN/include install -m644 lib/libpcan.h $TOOLCHAIN/include install -m644 lib/libpcan.so.0.3 $TOOLCHAIN/lib ln -sf libpcan.so.0.3 $TOOLCHAIN/lib/libpcan.so
Schließlich enthält das Paket noch einige Testprogramme für den CAN-Bus. Sie können später zum Beispiel in das Home-Verzeichnis eines Benutzers kopiert werden.
make -C test CC=$TOOLCHAIN/bin/i386-linux-uclibc-gcc LDLIBS=-L$TOOLCHAIN/lib
strip test/{bitrate,receive,transmi}test
Konfiguration des Basissystems
Das von buildroot erzeugte Dateisystem muß noch für den späteren Einsatz konfiguriert werden. Dazu werden einige Dateien verändert oder hinzugefügt und das Dateisystem neu erstellt.
cd $TMP/buildroot
Die Liste der zu erzeugenden Devices enthält zu wenig Loop-Devices sowie keinerlei Einträge für das ppdev-Interface und die CAN-Controller. Ein Patch korrigiert diese Punkte.
patch -p0 < $SOURCE/buildroot/buildroot-devices.patch
Das Paßwort für root ist bisher leer und wird zur Sicherheit geändert.
sed -i -e 's#^root:[^:]*:#root:$1$KGJY4wAY$y4AM4vtw/I9J2NQswkQ17.:#' \
$ROOTFS/etc/shadow
Der in buildroot standardmäßige vorhandene Benutzer default wird nicht benötigt.
sed -i -e '/^default:/d;' $ROOTFS/etc/{passwd,shadow,group}
rm -rf $ROOTFS/home/default
In einem letzten Schritt werden Dateien des Systems überschrieben oder durch neue ergänzt. Zu den wichtigsten Änderungen gehören ein neues Bootskript und eine deutsche Tastaturbelegung. Damit wird ein Image für den Betrieb unabhängig vom Netzwerk erstellt.
rm -f $ROOTFS/etc/resolv.conf cp -av $SOURCE/rootfs/standalone/* $ROOTFS rm -f $TOOLCHAIN/fakeroot.env touch $TOOLCHAIN/fakeroot.env make cp rootfs.i386.tar rootfs-standalone.i386.tar
Der Prozeß wiederholt sich für die Netzwerkversion mit anderen Dateien.
rm -f $ROOTFS/etc/resolv.conf cp -av $SOURCE/rootfs/nfsclient/* $ROOTFS rm -f $TOOLCHAIN/fakeroot.env touch $TOOLCHAIN/fakeroot.env make cp rootfs.i386.tar rootfs-nfsclient.i386.tar
Einrichtung der Flashdisc
Jeder PC104-Rechner verfügt über eine Festplatte in Form einer Flashdisc mit einer Kapazität von 32 MB. Die Platte muß an einem Notebook, über einen Adapter an einem Desktop oder direkt an einem USB-Wechselplattenrahmen für 2.5 Zoll-Festplatten betrieben werden, um das Bootsystem des PC104-Rechners zu installieren.
Provisorischer Adapter für Flashdisc
Die Flashdisc ist das einzige bootfähige Medium, da die Rechner weder über ein Boot-ROM noch über ein Diskettenlaufwerk verfügen. Auf ihnen wird grub als Bootloader installiert. Er kann lokal gespeicherte Diskettenimages, ein System von einer lokalen Partition oder ein Image von einem Bootserver starten. Dafür werden drei Partitionen angelegt, eine große für ein Linux, das ohne Netzwerk funktioniert und zur Diagnose benutzt werden kann, eine dazugehörige Swap-Partition sowie eine kleine Partition für grub und die Bootimages. Durch die Trennung von Linux und grub ist der Bootloader vor versehentlichen Änderungen besser geschützt.
Partitionierung
Zunächst muß die Flashdisc in einen Rechner eingebaut,
partitioniert und formatiert werden. Die nächsten Schritte gehen davon
aus, daß sie unter /dev/sda erreichbar ist und der
Benutzer als root arbeitet. Falls gewünscht, wird die Platte zuerst mit
Nullbytes überschreiben.
dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=65536 count=496
Anschließend wird ein Master Boot Record installiert, 0x80 ist die spätere Adresse der Platte.
install-mbr /dev/sda -d 0x80
Falls das Programm install-mbr nicht existiert,
übernimmt der folgende Befehl dessen
Aufgabe.
dd if=$SOURCE/bootimage/mbr.img of=/dev/sda bs=512 count=1
Jetzt können zum Beispiel mit fdisk die benötigten
Partitionen angelegt und aktiviert
werden.
fdisk /dev/sda
Das Ergebnis muß folgendermaßen aussehen. Die Anzahl der
Köpfe, Sektoren und Zylinder muß im Expertenmodus von
fdisk auf die angegebenen Werte umgestellt werden, falls sie
nicht stimmen sollten. Die dritte Partition wird den Bootmanager enthalten,
sie muß als bootfähig gekennzeichnet und aktiviert worden
sein.
Disk /dev/sda: 32 MB, 32505856 bytes
4 heads, 32 sectors/track, 496 cylinders
Units = cylinders of 128 * 512 = 65536 bytes
Device Boot Start End Blocks Id System
/dev/sda1 1 415 26544 83 Linux
/dev/sda2 416 479 4096 82 Linux swap
/dev/sda3 * 480 496 1088 83 Linux
In den Partitionen müssen noch die jeweiligen Dateisysteme erstellt werden. Um möglichst viel nutzbaren Platz übrig zu behalten, wird ext2 als Dateisystem benutzt und kein Platz für den Root-Benutzer reserviert.
mke2fs -m0 /dev/sda1 mkswap /dev/sda2 mke2fs -m0 /dev/sda3
Konfigurationstool der Netzwerkkarte
Der Netzwerkchip der PC104-Rechner muß später konfiguriert
werden, damit er vom Bootcode erkannt wird. Das dazu nötige
DOS-Programm wird in ein Diskettenimage gepackt und auf die Flashdisc
gespeichert. Die Basis bildet das Image einer 360 KB großen
Bootdiskette von FreeDOS, das zunächst von allen
überflüssigen Dateien befreit werden muß. Wichtig sind nur
kernel.sys und
command.com.
cp $SOURCE/freedos/b9boot01.img $TMP/realtek mount -o loop -t msdos $TMP/realtek /mnt rm -i /mnt/*
Das Tool von Realtek wird in das Image kopiert und eine passende
autoexec.bat
angelegt.
cp $SOURCE/realtek/rset8019.exe /mnt echo -en '@echo off\r\nrset8019\r\n' > /mnt/autoexec.bat umount /mnt
Die resultierende Datei ist auch unter
$SOURCE/bootimage/realtek
vorhanden.
Booten per Netzwerk
Beim Booten per Netzwerk muß auf dem Client eine entsprechende Software die Netzwerkkarte initialisieren, das Betriebssystem laden und starten. Diese Aufgabe übernimmt in der Regel das BIOS des Systems oder ein ROM-Baustein auf der Netzwerkkarte. Am leistungsfähigsten ist das aktuelle PXE, das aber für den älteren RTL8019(AS)-Chips der PC104-Rechner nicht verfügbar ist. Der Hersteller bietet nur ROMs mit dem veralteten RPL an, der dazugehörende Server rpld hat unter Linux das Entwicklungsstadium aber nie verlassen. Als einzige Alternativen bleiben noch netboot und etherboot, von denen nur letzteres noch gepflegt wird. Es war damit die einzig sinnvolle Wahl. Die Images des Projektes können in einem ROM-Baustein, auf einer Diskette, in einem Bootimage für GRUB und in einer Vielzahl anderer Formate abgelegt werden, was sehr viele Einsatzmöglichkeiten eröffnet. Als Imagedatei auf der Festplatte kann das Image einfach aktualisiert werden und es entfällt der Aufwand, für jeden Rechner ein EPROM zu brennen.
Das etherboot-Image kann auf der Seite http://rom-o-matic.net/ erstellt werden. Dazu wird auf der Startseite Version 5.0.7 ausgewählt (neuere funktionieren nicht), "ne" als NIC und "LILO bootable ROM" als Imagetyp eingestellt. Unter "Configure" werden einige Optionen geändert.
ASK_BOOT=-1 CONFIG_PCI_DIRECT
Der Knopf "Get ROM" erzeugt ein Image, das unter dem Namen
etherboot gespeichert wird. Die fertige Datei ist unter
$SOURCE/bootimage/etherboot
vorhanden.
Integration aller Systeme
Im letzten Schritt werden die Partitionen der Flashdisc mit den
nötigen Dateien gefüllt. Um das System bootfähig zu machen,
muß auf dem Wirtsrechner grub installiert sein. Aus dessen
Lieferumfang werden die Dateien stage1 und stage2 benötigt, die auch
auf einem 386er lauffähig sein müssen. Das selbe gilt für
memdisk auf dem syslinux-Paket, auch diese Datei wird für den
Bootprozeß benötigt. Alle drei sind unter
$SOURCE/bootimage vorhanden und lassen sich im Notfall auch
über buildroot neu
erzeugen.
Als erstes wird die Partition des Bootmanagers mit Dateien gefüllt.
mount /dev/sda3 /mnt
cp $SOURCE/bootimage/{stage1,stage2,memdisk,realtek,etherboot} /mnt
cp $CONFIG/grubmenu /mnt/menu.lst
umount /mnt
Der grub auf dieser Partition muß noch aktiviert werden, was mit
der grub-Shell auf dem Host passiert. Die Parameter des install-Befehls
geben die Positionen der stage-Dateien an, bestimmen in welche Partition die
Installation erfolgen soll, und wo grub später seine
Konfigurationsdatei findet. Der Umweg über die Datei
device.map erlaubt es, alle Partitionen so zu spezifizieren,
wie sie später im PC104-Rechner heißen
werden.
echo "(hd0) /dev/sda" > $TMP/device.map grub --device-map $TMP/device.map install (hd0,2)/stage1 (hd0,2) (hd0,2)/stage2 (hd0,2)/menu.lst quit
Das vorbereitete Linux für den Betrieb ohne Netzwerk wird in seine Partition installiert.
mount -t ext2 /dev/sda1 /mnt tar -C /mnt -xf $TMP/buildroot/rootfs-standalone.i386.tar umount /mnt
Nach dem Einbau der Platte ist der Rechner bootfähig. Für die Installation weiterer Flashdiscs empfiehlt es sich, die Festplatte einfach zu kopieren statt alle Schritte nochmals auszuführen.
dd if=/dev/sda of=$TMP/flashdisc.img bs=65536 count=496 dd if=$TMP/flashdisc.img of=/dev/sda bs=65536 count=496
Vorbereitung der Clients
Der Zusammenbau der PC104-Rechner beginnt mit der Konfiguration des CAN-Controllers auf I/O-Adresse 0x240 und IRQ 10. Auf die Platine kommt das CPU-Board, in dessen Sockel die vorbereitete Flashdisc gesteckt wird. Vor dem Einschalten werden noch Tastatur und Monitor angeschlossen, der Rechner startet beim Einstecken der 5 Volt-Spannungsversorgung. Zunächst werden im BIOS einige Einstellungen durchgeführt oder überprüft. Die Festplatte sollte fest angemeldet werden, da die automatische Erkennung gelegentlich versagen kann. Es darf kein Diskettenlaufwerk aktiviert sein, das Booten muß auch ohne Tastatur und Monitor möglich sein und die seriellen Schnittstellen müssen aktiviert und als RS232 konfiguriert sein. Der Parallelport sollte im EPP/ECP-Modus arbeiten. Beim Booten von der Flashdisc wird im erscheinenden Menü das Konfigurationsprogramm der Netzwerkkarte aufgerufen. Sie muß auf "jumperless" mit I/O-Adresse 0x300 und IRQ 5 umgestellt werden, damit etherboot die Hardware richtig ansteuern kann und es unter Linux keine Ressourcenkonflikte gibt.
Installation des Bootservers
Auf einem Server sind alle Dienste installiert, die von den Rechnern im
PC104-Cluster benötigt werden. Die Installation erfolgt komplett mit
Root-Rechten, die benötigten Dateien sind vorher nach /tmp
auf den Server zu kopieren. Alle Daten der Clients landen in einer
gemeinsamen Ordnerstruktur.
CLIENTS=/export/0/home/pc104/clients
Die Reste einer vorigen Installation müssen zunächst
gelöscht werden. Die Benutzerdaten und die Userdatenbank
(passwd, shadow und group) sind
gegebenenfalls vorher zu
sichern.
rm -rf $CLIENTS
Die erforderliche Verzeichnisstruktur für die Knoten wird anlegegt.
install -d -m755 -groot -oroot $CLIENTS
for NODE in $CLIENTS/node{{0,1}{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},2{0,1,2,3,4}}; do \
install -d -m755 -groot -oroot $NODE; \
done
install -d -m755 -groot -oroot $CLIENTS/tftpboot
install -d -m755 -groot -oroot $CLIENTS/home
Es folgt das Auspacken der Root-Verzeichnisse für die verschiedenen Rechner.
for DIR in $CLIENTS/node{{0,1}{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},2{0,1,2,3,4}}; do \
tar -C $DIR -xf /tmp/rootfs-nfsclient.i386.tar; \
done
Im Dateisystem jedes Rechners wird ein Swapfile von 8 MB angelegt und initialisiert.
for DIR in $CLIENTS/node{{0,1}{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},2{0,1,2,3,4}}; do \
dd if=/dev/zero of=$DIR/var/swapfile bs=1024k count=8; \
mkswap $DIR/var/swapfile; \
done
Etherboot kann nur Systeme starten, deren Kernel und gegebenenfalls initrd in einem speziellen Image zusammengefaßt sind. Der folgende Befehl erzeugt das Image direkt im Bootverzeichnis.
mkelf-linux --output $CLIENTS/tftpboot/pc104.nb --ip=dhcp \
--append "root=/dev/nfs" /tmp/bzImage
DHCP-Server
Der DHCP-Server teilt jedem Knoten basierend auf seiner MAC-Adresse die Konfiguration, den Pfad zum Bootimage und die Parameter zum Mounten des Root-Dateisystems mit. Es handelt sich um einen dhcpd3, der wie folgt konfiguriert ist.
option domain-name "rtsys";
option domain-name-servers jitter.rtsys;
ddns-update-style none;
ddns-updates off;
authoritative;
server-name "gate2";
shared-network railway-net
{
option ntp-servers time.rtsys;
use-host-decl-names true;
subnet 10.6.2.128 netmask 255.255.255.128
{
option routers gate2-1.rtsys;
option broadcast-address 10.6.2.255;
filename "/pc104.nb";
# Knoten 0
host node00 {
hardware ethernet 00:05:b7:02:9c:05;
fixed-address node00.rtsys;
option root-path "10.6.2.129:/export/0/home/pc104/clients/node00,
v3,tcp,rsize=2048,wsize=2048";
}
# ...weitere Einträge für die übrigen Knoten...
}
}
TFTP, NFS und Zeitserver
Die Bootimages werden von dem TFTP-Server atftp ausgeliefert, der
$CLIENTS/tftpboot als Root-Verzeichnis benutzt. Dort liegt in
Form der Datei pc104.nb ein Linux-Kernel, der von Etherboot geladen werden
kann. Die Root-Verzeichnisse der Knoten werden per NFS
exportiert.
/export/0/home/pc104/clients 10.6.2.128/25(rw,async,no_root_squash)
Beim Systemstart gleichen alle PC104-Rechner ihre Uhren per
rdate mit dem Server ab. Dafür muß in der Datei
/etc/xinetd.d/time-udp der Dienst aktiviert
sein.
